Progetto elettroutensile a batteria

[davidde]

Ciao a tutti, rieccomi qua !
Appena la morsa del lavoro ha allentato la presa mi sono rimesso subito all' opera. Per varie necessità ho dovuto costruire anche la pinza, ora finalmente c'è un prototipo fisico sul quale ragionare. Vi faccio vedere come, più o meno (riscaldatore escluso) dovrà presentarsi la parte meccanica dell' elettroutensile:

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In queste prime due foto si vede com'è realizzato l' elettroutensile; le parti che compongono la pinza sono essenzialmente due. La prima quella di colore bianco è quella che ospita il fissaggio del cavo, i morsetti di collegamento, i due supporti del riscaldatore ed il microswitch. E' costruita in Delrin una plastica piuttosto robusta ed economica che ben si presta alle lavorazioni alle macchine utensili. Ha però lo svantaggio di avere una bassa temperatura massima di esercizio che si attesta attorno ai 100°C. Dai primi test sembra comunque reagire bene.
La seconda parte, cioè quella inferiore è realizzata in alluminio. L' inserto collocato sotto al riscaldatore è realizzato in Teflon (PTFE). Il materiale scelto ha una buona resistenza alla temperatura 260°C e deve funzionare come contrasto quando la pinza inizia a premere per saldare il tubo. La decisione di inserire sotto al riscaldatore un' inserto plastico ha due motivazioni, evitare di falsare la resistenza del riscaldatore quando il microcontrollore esegue le misure e rendere possibile la sostituzione del contrasto una volta che l' usura l' abbia rovinato.
Si può notare inoltre che il principio di costruzione della pinza non è quello convenzionale, per l' operazione di saldatura infatti non è richiesto un grosso sforzo quindi ho preferito costruirla seguendo il principio della leva di terzo tipo. Questa scelta rende più semplice la realizzazione ed in particolare il passaggio del grosso cavo che termina sui morsetti del riscaldatore.

Microswitch.png (193.35 KiB) Osservato 2021 volte

Questa foto invece fa vedere come è realizzato il rilevamento della chiusura della pinza, l' evento che da lo start al ciclo di saldatura. Come si può vedere il microswitch è fissato dietro al fulcro della pinza, in questo modo appena avviene la chiusura si ha la commutazione del sensore ed il microcontrollore comincia ad eseguire il programma. Per rendere possibile un minimo di regolazione sulla posizione di attivazione ho aggiunto un grano che funge da regolo, invitandolo o svitandolo è possibile variare (seppur di poco) il punto di start ciclo.

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Testina + contrasto.png (180.44 KiB) Osservato 2012 volte

Qui si vedono i particolari della testina. Il primo morsetto (quello a forma di parallelepidedo) serve per abbracciare la calza del cavo. Per il montaggio viene tolto al cavo il primo strato di isolante in modo da liberare la calza che viene poi inserita nel morsetto e bloccata stringendo le due viti (testa a taglio), in questo modo si assicura una superficie di contatto piuttosto ampia. Il secondo morsetto invece è stato realizzato stagnando ad una boccola cinque dei sette conduttori interni del cavo multipolare (gli altri due conduttori servono al microswitch). Questa boccola viene poi inserita nel prigioniero che collega sia meccanicamente che elettricamente il supporto del riscaldatore alla pinza e fissata ad esso tramite il dado superiore.
Per l' altro morsetto il collegamento avviene allo stesso modo, un prigioniero parte dal supporto del riscaldatore e va a invitarsi direttamente nel morsetto per la calza.
Il materiale con il quale sono stati costruiti questi particolari è ottone e mi sono assicurato che qualunque sezione di contatto della testina non scendesse (teoricamente) al di sotto degli 8mm².

Aggiungo infine una nota sul riscaldatore che mi sta facendo impazzire. La forma che si vede in fotografia non ha nulla a che vedere con quella finale. O per meglio dire, mi comincia a piacere l' idea di dargli una forma così rotondeggiante per il semplice motivo che le dilatazioni del materiale dovute all' aumento di temperature vengono "assorbite" meglio e non sembra quindi necessario studiare un contatto strisciante.
Per la sezione del riscaldatore che si occuperà della saldatura la soluzione non è semplice. Dovrei riuscire a ruotare di 90° la parte di riscadatore che si trova in posizione centrale in modo da aumentare l' area di saldatura. Pensavo di ovviare costruendo il riscaldatore in tre pezzi distinti che poi verranno uniti per brasatura. Per il momento essendo molto più semplice la costruzione del riscaldatore attuale stavo valutando diverse sezioni e geometrie per "calibrare" i parametri costruttivi.

Per il momento è tutto ... a breve vi posto i risultati delle prime prove che come sempre hanno dato risultati a dir poco imbarazzanti !

Ciao

[davidde]

Questo è lo schema elettrico attuale della parte di potenza:

Schema elettrico.png (6.65 KiB) Osservato 1946 volte

Per ridurre i picchi dovuti alle fasi di turn-off del mosfet ho adottato due soluzioni. La prima è il diodo di clamp in antiparallelo al riscaldatore, questo diodo è di tipo veloce. La seconda è lo snubber RCD collegato tra il drain e il source del mosfet. Lo snubber è composto da due capacità in parallelo da 1µF;100V ciascuna, una resistenza da 22 ohm;3W e un diodo veloce da 3A (l' HER305).
Ora gli spike sono molto più attenuati rispetto alle foto del messaggio [352] e si riescono a fare le misurazioni senza correre il rischio di distruggere tutto. Vi faccio quindi vedere come si presentano ora questi picchi (sonda in x1):

Spike Vds.png (216.55 KiB) Osservato 1942 volte

Il valore della tensione durante il transitorio di spegnimento non supera mai i 20V. La Vds max sopportabile dal mosfet è invece di 40V, credo quindi di avere un sufficiente margine di sicurezza, per questo motivo con la tosatura degli spike mi fermerei dando per buona questa configurazione. Cosa ne dite ?


Poi volevo farvi vedere altri due oscillogrammi che avevamo discusso nei messaggi precedenti. Guardando lo schema elettrico si nota che i condensatori che si trovano tra il positivo di alimentazione (dopo l' induttanza) e la massa sono cinque. Quattro sono quelli SMD da 470nF in X7R mentre il quinto è un condensatore elettrolitico da 3300µF;25V a bassa esr.
In merito a questo condensatore mi venne chiesto di verificarne l' utilità; questo è quello che si vede ponendo la sonda a valle dell' induttanza e la pinza a massa, nella prima fotografia è presente l' elettrolitico mentre nella seconda no (sonda in x1):

Tensione con elettrolitico 3300µF.png (203.09 KiB) Osservato 1939 volte

Tensione senza elettrolitico 3300µF.png (216 KiB) Osservato 1937 volte

Ovviamente (riferendoci in particolare alla prima foto che è più chiara) si ha che nel momento in cui la tensione cala il mosfet è chiuso e quindi la corrente scorre nel carico. Vedendo gli oscillogrammi credo che l' elettrolitico sia indispensabile ma mi farebbe piacere sapere cosa ne pensate voi ...

Al più presto vi posto altri interessanti oscillogrammi in particolare quelli che mi hanno lasciato perplesso.

Ciao

P.S.
Se volete le foto ad alta risoluzione ditemelo che le allego.

[davidde]

Ciao a tutti,

ho finalmente fatto le prove relative al tipo di cavo più idoneo. Purtroppo non mi è ancora arrivato il multipolare di cui avevamo discusso, non appena il rivenditore riapre faccio un sollecito e quando arriva lo "metto sotto" così possiamo osservare il suo comportamento relazionato agli altri. Negli oscillogrammi seguenti a differenza delle altre volte mi sono sforzato per riuscire a fotografare lo schermo quando il duty cycle fosse al massimo del Ton (circa all' 80%) per cogliere meglio quale sia realmente l' influenza del cavo di collegamento ... è stata durissima ma questa volta i risultati parlano chiaro !
Aggiungo che con la frequenza del PWM sono sceso a 14,5 kHz per ragioni legate alla programmazione del microcontrollore e come sempre le misure di corrente sono riferite ad uno Shunt da 0,005ohm. Il CH1 misura Vds mentre il CH2 Id.

Aggiungo soltanto che ogni cavo è stato appositamente “flangiato” all' elettroutensile in modo da ridurre al minimo le resistenze di contatto (come si vede nell' ultima foto) inoltre la lunghezza è stata portata ad un metro esatto. L' unica cosa che purtroppo non sono riuscito a standardizzare sono le sezioni dei vari cavi che comunque non scendono mai al di sotto dei 5mm².

Effettivamente ci sono grosse differenze ... giudicate voi:

Vds-Id senza cavo.png (203.76 KiB) Osservato 1876 volte

Vds-Id con cavo monopolare 6mm².png (210.19 KiB) Osservato 1875 volte

Vds-Id cavo multipolare 7 + calza.png (209.01 KiB) Osservato 1876 volte

Vds-Id con RG8.png (274.18 KiB) Osservato 1878 volte

Vds-Id cavo Litz 5mm² (due separati).png (202.17 KiB) Osservato 1875 volte

Vds-Id con cavo Litz twistato 7mm².png (273.13 KiB) Osservato 1875 volte

Cavi.png (162.16 KiB) Osservato 1877 volte

L' unica fotografia che non sono riuscito a scattare al massimo della corrente è quella "senza cavo" perché la corrente cala troppo rapidamente e non riesco in alcun modo a riprendere l' attimo iniziale. Considerate quindi che il picco sarebbe leggermente più alto di come appare.

A questo link trovate gli oscillogrammi ad alta risoluzione (questa volta sono tutti contenuti in un file zippato).

Ciao

EDIT:

Per comodità di chi leggerà aggiungo l' oscillogramma relativo al multipolare editando questo post.
Il multipolare è da 25 conduttori di sezione 0,5mm² l' uno ed è stato assemblato creando un polo (quello positivo) da 17 conduttori interni, i restanti (esclusi due per il microswitch) sono stati stagnati alla calza cercando di bilanciare le sezioni dei due cavi finali che in questo caso sono da 8,5mm².

Vds -Id cavo multipolare 25 conduttori + schermo.png (206.92 KiB) Osservato 1781 volte

[davidde]

Mi rimane da fare soltanto la prova del multipolare a 20 conduttori; se si dimostrasse funzionale (quello a 7 conduttori non è andato niente male) sarebbe la soluzione migliore, sia per il lato economico che per quello funzionale, il cavo Litz non è facile da gestire.

Comunque sia utilizzando un cavo adeguato (per il momento ho lasciato montato proprio il Litz intrecciato) si hanno ottimi miglioramenti, i componenti utilizzati per la soppressione dei picchi si scaldano molto meno ed il mosfet rimane ad una più bassa temperatura di lavoro.

Ho anche cominciato a lavorare con il sensore di corrente che si sta rivelando un' ottimo alleato. A conti fatti riesco ad avere una risoluzione (a 100A di fondo scala) di circa 1A/bit con una discreta accuratezza da parte del sensore.


A questo punto mi metto all' opera per capire come eseguire al meglio le misure di corrente e tensione sul riscaldatore per valutare quale sia la sua temperatura. Quando giungo ad un risultato ve lo propongo così magari mi fate sapere cosa ne pensate.

Ciao e grazie!